– prof. dr. hab. inż. Antoniego Rogalskiego, czł. rzecz. PAN i płk. prof. dr. hab. inż. Piotr Martyniuka wśród najbardziej cytowanych artykułów wydawnictwa Small Methods (IF – 9.1) Wiley (prace opublikowane w 2024). Artykuł podejmuje próbę określenia miejsca perowskitów w szerokiej grupie materiałów stosowanych w optoelektronice, w szczególności w detekcji promieniowania elektromagnetycznego.
Przez dziesięciolecia świat elektroniki i optyki był zdominowany przez sztywne, kruche materiały nieorganiczne, takie jak krzem czy arsenek galu. Alternatywą dla tego typu technologii stają się dynamicznie rozwijające się półprzewodniki organiczne (w języku angielskim Organic semiconductors – OSC), które naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej postanowili wziąć pod lupę.
W artykule „Peculiarities of room temperature organic photodetectors” opublikowanym w czasopiśmie „Light: Science and Applications”, prof. dr hab. inż. Antoni Rogalski i płk prof. dr hab. inż. Piotr Martyniuk z Wydziału Nowych Technologii i Chemii szczegółowo opisali unikalne zalety materiałów organicznych, takie jak elastyczność mechaniczna, niskie koszty produkcji oraz możliwość precyzyjnego dostrajania pasma wzbronionego do wykrywania promieniowania od ultrafioletu (UV) po bliską podczerwień.
Organic CMOS logic circuit. Total thickness is less than 3 μm. Scale bar: 25 mm. https://en.wikipedia.org/wiki/ Organic_electronics#/media/ File:Organic_CMOS_logic_circuit.jpg
„Organiczne” znaczy lepsze?
„Tradycyjne detektory promieniowania wymagają skomplikowanych procesów produkcyjnych w wysokich temperaturach i na kosztownych podłożach. Półprzewodniki organiczne, dzięki swojej molekularnej naturze, mogą być nanoszone na niemal każdą powierzchnię – od szkła, przez metalowe folie, aż po elastyczne plastiki. Co więcej, można je >>drukować<< za pomocą metod przypominających te stosowane w zwykłych drukarkach atramentowych (ink-jet printing) czy technikach typu roll-to-roll , co drastycznie obniża koszty i pozwala na produkcję wielkopowierzchniowych paneli” – wyjaśnia prof. Rogalski. Kolejną unikalną zaletą OSC jest ich „przestrajalność”. „Poprzez modyfikację struktury chemicznej molekuł możemy precyzyjnie dostosować detektor do konkretnego koloru światła – od ultrafioletu, przez światło widzialne, aż po bliską podczerwień – bez konieczności stosowania dodatkowych, skomplikowanych filtrów” – dodaje prof. Martyniuk.
Od inteligentnych ubrań po elastyczne czujniki medyczne.
W swojej pracy naukowcy wskazują także na dużą elastyczność i możliwość dopasowania się do kształtu ciała, jakie oferują półprzewodniki organiczne. Taka zaleta czyni z nich idealny materiał do tworzenia inteligentnych ubrań monitorujących zdrowie czy elastycznych czujników medycznych. W obrazowaniu medycznym detektory wąskopasmowe pozwalają na niezwykle precyzyjne rozróżnianie kolorów tkanek, co jest kluczowe w diagnostyce. Ponadto, ich lekkość i potencjalna przezroczystość otwierają drogę do montowania czujników światła bezpośrednio na szybach czy ekranach smartfonów bez wpływu na ich wygląd.
Jak wyjaśniają naukowcy, półprzewodniki organiczne różnią się od półprzewodników nieorganicznych nie tylko wyglądem, ale przede wszystkim sposobem działania.
„Zamiast płynnego ruchu, ładunki >>przeskakują<< z jednej cząsteczki na drugą („hopping”). Jest to proces znacznie wolniejszy niż w krzemie. Dodatkowo, w klasycznym krzemie światło błyskawicznie od razu generuje swobodne ładunki elektryczne. W materiałach organicznych proces ten jest bardziej złożony: foton generuje tzw. ekscyton, czyli parę elektron-dziura, która jest ze sobą silnie związana. Aby >>rozdzielić<< tę parę i uzyskać fotoprąd, potrzeba specjalnie zaprojektowanych struktur wykorzystujących mieszankę dwóch rodzajów materiałów (donorów i akceptorów) tworzących tzw. złącze objętościowe” – mówi prof. Rogalski.
Pułapki rekordów
W literaturze fachowej często pojawiają się doniesienia o rekordowych parametrach (tzw. wykrywalności – detectivity – rysunek poniżej). Profesorowie Antoni Rogalski i Piotr Martyniuk, zwracają uwagę, że niektóre z tych wyników mogą być przeszacowane z powodu błędów w procedurach pomiarowych.
Porównanie spektralnej zależności wykrywalności fotodetektorów organicznych w zakresie 0.2 do 2 mikrometrów, ze standardowymi fotodetektorami [AlGaN, Si, Ge, InGaAs i fotopowielacze (PMTs] w temperaturze pokojowej.W szczególności dotyczy to fototranzystorów (na rysunku obok zaznaczonymi jako FET – field effect transistors), gdzie mechanizm tzw. fotobramkowania (photogating) pozwala uzyskać ogromne wzmocnienie sygnału, ale jednocześnie drastycznie spowalnia urządzenie i zawęża jego zakres dynamiki pracy. Naukowcy podkreślają, że aby możliwie obiektywnie określać osiągi fotodetektorów organicznych, koniecznym jest opracowanie procedur pomiarowych na wzór tych wypracowanych dla standardowych fotodetektorów nieorganicznych.
Co przyniesie przyszłość?
Przed technologią organiczną wciąż stoją wyzwania. Głównymi problemami pozostają niska stabilność materiałów – wrażliwość na tlen i wilgoć – oraz mniejsza szybkość działania. Do tego dochodzi niska odporność termiczna – wiele OSC nie wytrzymuje wysokich temperatur wymaganych w standardowych procesach post-produkcyjnych elektroniki – i trudności
z uzyskaniem tak wysokiej czystości jak w przypadku krzemu.
Niemniej jednak, postęp w syntezie nowych cząsteczek jest błyskawiczny. Już teraz detektory organiczne osiągają sprawność porównywalną z tradycyjnymi rozwiązaniami w wielu niszowych zastosowaniach, takich jak transparentne ogniwa fotowoltaiczne czy energetyka biodegradowalna. A to dopiero początek…
DOI 10.1038/s41377-025-01939-2 Paulina Arciszewska-Siek
W międzynarodowym projekcie B+R Wojskowa Akademia Techniczna będzie pracować nad nową generacją szerokopasmowego spektrofotometru do precyzyjnej analizy chemicznej. Technologie znajdą zastosowanie w sektorze obronnym, monitoringu środowiskowym, medycynie i przemyśle.
Naukowcy opracują i zintegrują elementy nowoczesnego spektrofotometru, który będzie wykorzystywał promieniowanie w zakresie średniej i dalekiej podczerwieni. Eksperci z WAT będą rozwijać moduł detekcyjny, który ma cechować się bardzo wysoką wykrywalnością, działać w temperaturze pokojowej i dawać szybką odpowiedź.
Projekt SWIRLS (ang. Sensitive Wideband Infrared Laser Spectroscopy) odpowiada na rosnące potrzeby w zakresie szybkiego i czułego wykrywania substancji chemicznych, w tym lotnych związków organicznych. Otrzymał dofinansowanie prawie 4,9 mln zł z Funduszy Szwajcarskich. Liderem konsorcjum jest Politechnika Wrocławska, w jego skład, obok WAT, wchodzi również spółka VIGO Photonics oraz Politechnika Federalna w Zurichu.
„Planowane rozwiązania mają zwiększyć rozdzielczość, czułość i szybkość pomiarów bez konieczności stosowania tradycyjnych detektorów promieniowania, które muszą być chłodzone do temperatur kriogenicznych i temperatur uzyskiwanych przez termochłodziarki. To wyeliminuje wentylatory wprowadzające dodatkowe szumy” – mówi płk prof. dr hab. inż. Piotr Martyniuk z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT.
Celem badań prowadzonych w WAT będzie opracowanie detektora opartego na bazie nanostruktur półprzewodnikowych, w których naprzemiennie ułożone są cienkie warstwy arsenku indu i arsenku antymonu indu i tworzą strukturę typu „supersieci” II rodzaju. Detektor będzie pracować w zakresie 4–12 mikrometrów. Konstrukcja modułu detekcyjnego obejmie projektowanie i symulacje numeryczne osiągów przyrządu, proces wzrostu materiałów, wytwarzanie oraz integrację z układem wzmacniającym. Zgodnie z założeniami badacze WAT osiągną czas odpowiedzi poniżej 500 pikosekund, co otworzy drogę do budowy ultraszybkich i energooszczędnych spektrofotometrów.
Równolegle w projekcie prowadzone będą prace nad pozostałymi elementami instrumentu: rotacyjną linią opóźniającą, szerokopasmowym laserem kaskadowym oraz integracją całego spektrofotometru. Efektem projektu będzie prototyp.
Łączny budżet projektu wynosi ponad 5,3 mln zł, z czego blisko 4,9 mln zł pochodzi z dofinansowania z Funduszy Szwajcarskich. Prace badawcze potrwają trzy lata i zakończą się we wrześniu 2028 roku.
Projekt wpisuje się w wymagania dyrektywy NEC 2016/2284/UE, która obliguje państwa członkowskie do monitorowania emisji szkodliwych związków chemicznych, takich jak tlenki azotu, dwutlenek siarki, amoniak czy lotne związki organiczne. Obecne technologie są kosztowne, energochłonne i często niewystarczająco precyzyjne.
Serdecznie zapraszamy na konferencję QSIP 2022 (przełożoną z 2020 roku), która ma na celu zgromadzenie naukowców, inżynierów, współpracowników przemysłowych oraz studentów i doktorantów w celu omówienia ostatnich postępów w technologiach fotodetektorów podczerwieni.
Konferencja odbędzie się w Krakowie w centrum konferencyjnym hotelu Sheraton Grand (ul. Powiśle 7, 31-101 Kraków).
